清华新闻网8月20日电 柔性电子技术在可穿戴领域引领了一场范式转变。可穿戴设备的进步高度依赖于柔性能源器件的发展，这些器件需提供高效率、耐用性和持续的电力输出，同时能够轻松集成。目前，商业可穿戴设备普遍依赖硬质电池供电，不仅增加了系统刚性，限制了其机械顺应性，还需频繁充电或更换电池。因此，研发一种集成了能量收集与存储的柔性系统（FEHSS）变得尤为迫切。开发该系统面临的挑战包括确保不同组件间的机械性能、光电及电学性能匹配，实现高功率输出和长期稳定运行。此外，还需提升器件间的界面效能，确保人体长期佩戴的舒适性。
近日，清华大学深圳国际研究生院徐晓敏团队与周光敏团队等合作，报道了厚度仅90微米的超柔性能量收集-储存一体化系统，该系统由超柔性高性能OPV组件与超薄锌离子电池（ZIB）集成，其为可穿戴生物传感系统及日常电子设备供电展示了FEHSS作为新一代可穿戴绿色能源设备的可行性（图1）。
图1.超柔性FEHSS的结构和材料成分示意图
超柔性有机光伏器件采用了PM6:O-IDTBR:Y6三元共混体系（图2）。与常见的二元体系相比，三元体系拓宽了光吸收范围，以能量级联通道提升了供受体界面激子解离效率，具有更小π-π堆积距离。使用EDT钝化ZnO电子传输层，进一步提升了光照稳定性。最终实现了单个器件光电转换效率（PCE）高达16.18%，黑暗惰性环境中逾1500小时的长寿命，以及50 mW cm-2光强下连续照明500小时后PCE保持初始值92%以上的高性能。
图2.超柔性OPV器件单元的优化和性能表征
基于超柔性OPV单元，研究人员进一步设计出可调功率输出的高性能OPV组件（图3）。以有效面积6.72cm2的组件为例，总光电转换效率PCE高达10.5%，峰值功率超过68.9mW，单位面积功率输出达10.2mW cm-2。此外，超柔性OPV组件在不同光照强度下具备高效的功率输出及优异的机械强度。
图3.超柔性OPV模块的结构和性能表征
超薄锌离子电池由锌阴极、二氧化锰-石墨阳极和超薄水凝胶电解质组成（图4）。团队创新开发了10微米厚度的超薄聚乙烯醇-氧化石墨烯（PVA-GO）水凝胶，具有优越的机械顺应性，且超薄特性弥补了微小容量损失。基于10μm超薄水凝胶电解质构建的超薄ZIB，总厚度仅为85μm，具备良好的倍率性能和循环稳定性。
图4.超薄ZIB的制备和性能表征
FEHSS由超柔性OPV组件，超柔性有机光电二极管（OPD）与超薄ZIB组成（图5）。值得一提的是，超柔性OPD具有良好的整流性能，可以有效防止电流从ZIB回流。三个ZIB串联实现输出电压5.4V，光照充电具有可媲美传统电源的充放电循环特性。FEHSS具有稳定的效率表现，优异的力学柔性和稳定性，相比同类工作展现出优异的综合性能。
图5.FEHSS的性能表征
FEHSS可以在自然环境下驱动多种电子设备（图6）。由超柔性OPV和三个ZIB集成的FEHSS具有高于5.82 mWh cm-2的能量密度和5.4 V的输出电压。FEHSS集成于织物上，可驱动心电信号采集并实时传输至手机终端，助力健康管理。FEHSS亦可在不干扰用户活动的情况下为智能手机、手表充电，是新型的户外绿色能源方案。
图6. FEHSS为可穿戴设备和电子产品供电
研究提供了高效的超柔性能量收集和存储一体化系统，可以轻松无感地集成在人体和织物上用作通用电源，将有力推进可穿戴设备和技术的发展。
近日，相关研究成果以“一种用于可穿戴设备的超柔性能量收集-存储系统”（An Ultraflexible Energy Harvesting-Storage System for Wearable Applications）为题，发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学深圳国际研究生院2020级硕士生沙可欣（Sakeena Saifi）为论文第一作者，清华大学深圳国际研究生院副教授徐晓敏、中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士为论文通讯作者。论文的其他作者还包括清华大学深圳国际研究生院副教授周光敏，慕尼黑工业大学教授彼得·穆勒-布施鲍姆（PeterMüller-Buschbaum），清华大学深圳国际研究生院2022级博士生肖潇、2021级博士生程思敏、2023级博士生郭昊天等。研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科创委优秀青年基础研究项目、深圳市高等院校稳定支持计划重点项目、深圳市高层次人才团队项目和深圳市盖姆石墨烯中心的支持。
